（检测技术与自动化装置专业论文）煤粉制备计算机监控系统设计与研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文针对山东某铁矿集团的大型新建项目煤粉制备生产线，设计开发了 一套基于p r o f i b u s d p 现场总线的分布式控制系统，实现生产过程的实时监测 和控制。 控制系统采用i p c + p l c + 现场总线的整体架构，十分适合煤粉制各现场工艺 复杂、设备类型多样、i o 点数多且分布极为分散、现场防爆环境要求高的特点。 在底层的现场控制层，采用交流变频器、软启动器等实现各传动点的调速控制。 通过现场总线通讯适配卡，将这些调速装置接入p r o f i b u s d p 现场总线作为 d p 从站。中间控制层由一台s 7 3 0 0 p l c 充当，它既是p r o f i b u s d p 主站。又 是m p i 从站。系统管理与监控层由一台研华的i p c 组成，作为m p i 主站，通过 与$ 7 3 1 5 2 d p 通讯来获取生产过程的数据，实现远程监控。同时完成数据处理 的任务，自动生成各种报表，在规定的时间打印输出，实现良好的人机交互功能。 整个控制系统结构清晰、功能分布明确，既体现了“分散控制、集中管理”的分 布式控制思想，更体现了现场总线控制系统全数字通讯、高度开放性、互操作性、 互换性的技术优势。 本文对煤粉制备系统的核心设备磨机采用了软起动控制技术，并针对该 智能型固态电机软起动器的研制进行了深入的分析和研究。介绍了智能型固态电 机软起动器的系统设计、工作原理，详细分析了以s 7 2 0 0p l c 为主控单元的硬 件电路设计，以及电气连接。主要针对限流起动方式进行了软件设计，并在软件 设计中融合了模糊控制思想。从仿真结果来看，模糊算法极大的改善了软起动器 的控制性能，增强了整个系统的可靠性。 煤粉制备分布式控制系统己投入使用，运行稳定可靠，操作方便，提高了生 产率和产品质量，体现了该系统的实际应用价值。 关键词：煤粉制备系统，现场总线，可编程控制器，软起动器，模糊控制 武汉理工大学硕士学位论文 i no r d e rt or e a l i z et h em o n i t o ra n dc o n t r o ld u r i n gt h el a wc o a lh o i s t i n g , f e e d i n g ， m i l l i n g ，p o w d e rs e p a r a t i o n ，s t o r a g e ，w e i g h t i n ga n df e e d i n g , ac o n t r o ls y s t e mb a s e do n p r o f i b u s - d pw a sd e v e l o p e df o ran e wc o a lp o w d e rp r e p a r a t i o nl i n ei nai r o no r e g r o u p ，s h a n d o n g a f t e re x t e n s i v er e s e a r c ho nr e c e n ts i t u a t i o n sa b o u td i s t r i b u t e c o n t r o ls y s t e mf o e s ) i nn a t i v ea n da b r o a da n dr e a ln e e d so ft h ep r o j c c t ，ai p c p l c f i e l d - b u ss t r u c t u r ei sa d o p t e dt os o l v et h ec o n t r o lp r o b l e m s s u c ha st h e c o m p l e x i t yo ft h em a n u f a c t u r i n gf l o w , m u l t i p l i c i t yo fe q u i p m e n t s ，e x c e s s i v e n e s sa n d d i s p e r s eo fi 0a n dh i l g hd e m a n do fa v o i d i n gb l a s t i nt h el o c a l e , a ct r a n s d u c e r sa n d s o f ts t a r t e r sf o r mt h ed ps l a v e sb yf i e l d - b u sc o m m u n i c a t i o nc a r di nt h cf i e i dt or e a l i z e t h ed r i v e ra n dc o n t r o l ：as 7 - 3 0 0p l c ，w h i c ha c t e da sad pm a s t e ra n dm p i s l a v e f o r mt h em i d d l ec o n t r o ll a y e r b e s i d e sf i n i s h i n gt h eb a s i cl o g i c a lf u n c t i o n ，i tc a na l s o h a r m o n i z et h ew o r ka m o n gt h e s ed ps l a v e sa n dr e a l i z es o m es p e c i a lc o n t m l a r i t h m e t i cv i af i e l d - b u sc o m m u n i c a t i o n aa d v a n t e c h 口cw h i c ha c t e da sam p i m a s t e r , i su s e dt od i s p l a yp a r a m e t e r s , d e a lw i t ha l a r mi n f o r m a t i o n ，p r i n tr e p o r tf o r m s a n ds o o n a st h cc o r ee q u i p m e n to ft h es y s t e m g r i n d i n gm a c h i n ei sl a u n c h e dw i t hs o f t s t u f ft e c h n i q u e d e v e l o p m e n to n i n t e l l i g e n ts o l i ds o f ts t a n e rb a s e do nv a r i a b l e r e a c t a n c ei ss t u d i e da n da n a l y z e di nd e p t h c o m b i n i n gw i t hu p - t o - t h e - m i n u t er e s e a r c h f r u i tb o t ha th o m ea n da b a d ，s e v e r a lm o t o rs o f ts t a r tm e t h o d sa r ec o m p a r e d h a r d w a r ec i r c u i ta n de l e c t r i cc o n i f e c t i o nd e s i g nw h i c ht a k e ss 7 2 0 0p l ca st h em a i n c o n t r o lu n i ti sa n a l y z e di nd e t a i l w ea d o p tf u z z yc o n t r o lt h e o r yt od e s i g ns o f t w a r e w h i c hi s m o s t l yf i t f o r l i m i t i n g c u r r e n ts t a r tm o d e a c c o r d i n gt ot h er e s u l to f s i m u l a t i o n ，w ec a nf i n dt h ef u z z ya l g o r i t h mh a si m p r o v e dt h ec o n t r o le f f e c t i v e n e s s a n dd y n a m i ca n dt h e r e l i a b i l i t yo fs y s t e m t h ec o a lp o w d e rp r e p a r a t i o nd i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e mh a sb e e np u ti n t o p r a c t i c a lu s e 1 h i ss y s t e m ，w h i c hc a np r o v i d ep r e f e r a b l er e f e r e n c e sf o rt h ed e s i g n so f o t h e rp r e p a r a t i o nc o n t r o ls y s t e m s ，p r o v e st ob es t e a d ya n de a s yt o o p e r a t e i tc a l l i m p r o v et h ep r o d u c t i v i t ya n dt h eq u a l i t yo fp r o d u c t i o na sw e l l k e yw o r d s ：c o a lp o w d e rp r e p a r a t i o ns y s t e m ，f i e l d - b u s ，p l c ，s o f ts t a r t e r , f u z z v c o n t r o l l i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着我国加入w t o 组织，市场对水泥、钢铁等生产资料的需求越来越大。 生产企业要适应这种变化，除了不断提高产量外，同时对质量的要求也越来越高。 水泥和钢铁等消耗大量燃料的工业，其主要的燃料为煤、和天然气。特别是煤， 它是煅烧水泥和冶炼钢铁的基本燃料，而煅烧和冶炼在整个水泥和钢铁的生产工 艺中占十分重要的地位，因此煤粉品质的高低直接决定了成品最终的质量。煤粉 制备作为整个生产装备中最重要的环节，其控肯4 方案的设计就显得尤为重要。近 年来，对煤粉制备生产设备的更新、改造的步伐正在不断加快，对控制方案的合 理性要求也越来越高。 我国的煤粉制备系统大多建在水泥厂中，建造时间早。因为当时产量低，控 制量小，仅靠人工测量、手动操作即可完成。但是随着生产规模的不断扩大和产 量的提高，使控制系统的处理量不断增大，原有的控制手段己很难满足生产的要 求。同时由于人工检测误差大，控制设备落后、安全性低，给整个系统的生产操 作和管理带来了很大的困难。目前国内大多数厂商的煤粉制各系统采用的控制方 法仍然是基于集散控制系统策略的方式，即将控制装置( p i c 等) 安装于电气控制 柜内，大量的现场传感器、执行器、电磁阀、交流变频器、赢流调速器测控信号 通过控制电缆连接到控制柜内，从而导致现场设备的维护相当困难、设备之间协 调性较差，主控制器的任务负担较重。 山东某铁矿集团为了适应市场竞争所带来的挑战和机遇，进一步提高特种钢 的生产的产薰和质量，并为今后企业建立先进的信息管理系统、打造数字化工厂 奠定坚实的基础，决定新建一条高度自动化的高炉冶炼生产线。煤粉制各系统就 是主要的新建项目之一。因此，在煤粉制备分布式控制系统的设计施工过程中， 学习国外先进经验，消化吸收国内外已有的技术建立类似的国产生产线，对于企 业提高产品产量和质量，增强企业在市场中的竞争力，具有现实的经济意义。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 课题研究现状 1 2 1 分布式系统发展概况 分布式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 一- d c s ) 是应用计算机技术对生 产过程进行集中监测、管理和分散控制的综合性网络系统自1 9 7 5 年美国 h o n l y w l l l 公司推出第一套分布式控制系统( t d c 2 0 0 0 ) 来，d e s 已经在工 业过程控制领域中得到了广泛的应用纵观其近三十年的发展历程，计算机 ( c o m p u t c o 技术、控制( c o n t r 0 1 ) 技术、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 技术以及显示技术 的不断进步与d c s 的更新换代息息相关例如，局域网络技术( 1 a n ) 的应用 标志着第一代d c s 的产生：开放系统( o s ) l o 产生了第三代d e s 可以说，d c s 是 4 c 技术发展的必然产物；同时，d c s 的发展也推动了相关技术的应用与发展 如可编程序控制器( p l c ) 技术、现场总线( f i e l d b u s ) 技术、智能控制( i n t e l l i g e n t c o a t m l ) 技术与过程控制软件等这些高新技术将为d c s 迈向人型化的计算机集成 制造系统( c i m s 耀供有力的支持和保障。 d c s 是分级递阶的控制系统，集中管理和分散控制是它的主要特点。采用分 级递阶的体系结构，主要是从系统工程的角度出发，通过功能分层、危险分散来 提高系统的可靠性和应用的灵活性。最简单的d c s 至少在垂直方向上分为两级， 即操作管理级和过程控制级。在水平方向上各个过程控制级之间是相互协调的分 级，在完成现场数据上传和接受操作管理级指令的同时，各水平级间也可进行数 据交换。这种分工协作的关系能够使整个系统在优化的操作条件下运行。d c s 中的分散是在相互协调基础下的自治。分散的含义不仅是分散控制，还包含有人 员分散、地域分散、功能分散、危险分散、设备分散以及操作分散等含义。分散 的最终目的是为了有效提高设备的可利用率。基于上述特点，在局域通信网络 ( l a n ) 的支持下，一套完整的d c s 系统一般由监控管理级、过程控制级和现场 级组成。d c s 的基本结构如图1 - 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 管理级 监控级 控制级 现场级 图1 - 1 基于l a n 的d c s 系统结构 d c s 的发展经历了以下几个阶段1 1 1 l ： ( 1 ) 与p l c 技术相融合 传统的d c s 是由回路仪表控制系统发展而来，在回路调节与模拟量控制等 方面具有一定优势。可编程序控制( p r o g r a m m a b l cl 0 9 i cc o n t r o u e r - 一p l q 则是专 为在工业环境下应用而设计，集微处理技术、自动化技术和通讯技术为一体的实 时工业控制装置，是从继电器逻辑控制系统发展而来，在开关量控制和顺序控制 等方面占优。髓着微电子技术和计算机通信技术的飞速发展p l c 。 在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足 的进步，从而为工业自动化控制注入了前所未有的生机和活力。基于p l c 和网 络通讯技术的新型分布式控制系统的设计与应用，己经成为现代生产过程自动化 的一个主要发展趋势。用p l c 来构建或改造d c s ，一方面可以保证控制的实时 性、稳定性以及准确性：另一方而则可大幅度地降低成本，满足用户对控制系统 的经济性要求。此外，对于采用分层体系结构的d c s 而言，每一层的通信速度 和网络类型都有所不同：在工业控制中大多数的数据只需在底层网络中传输， 仅有少部分的数据需要跨网传输。针对这一特点，以p l c 为核心控制器件，在 d c s 的网络通信系统中采用标准工业以太网( i n d u s t r i a le t h e r n e 0 并根据工业控制 的特殊要求开发出专用的通信协议，最大限度地快速传送重要信息，不失为一种 有效的解决途径。 ( 2 ) 与现场总线技术相结合 依据1 e c 6 1 1 5 8 规范和现场总线基金会f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的定义，现场 总线是一种服务于生产现场、能够在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节 点数字通信的网络系统。在计算机集成制造系统( c i m s ) 和计算机集成作业系统 墓坚堡三盔堂堡主堂焦笙苎 一 r c x p s ) 中，现场总线属于底层控制网络；开放系统互连( o s d 模型是它的技术基础， 分布到现场的通信网络、仪表的互操作性以及分散功能块则是它的主要技术特 点。比较著名的总线有过程现场总线( p r o f i b u s ) 、局部操作网络( l o n w o r k s ) 、 控制局域网络f o 、n b u s ) 和全球工厂仪表协议r o r l d f i p ) 等。 现场总线技术的出现，导致了传统控制系统结章句的变革，为彻底打跬包动化 系统的信息孤岛创造了条件。许多专家、学者都预言基于现场总线的控制系统 ( f i e i d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 将取代传统的、模拟数字混合的d c s 。一方面， f c s 作为一种开放的分布式控制系统，突破了传统d c s 中采用专用通信网络的 缺陷，将封闭式协议转换为标准的开放式协议。另一方面，f c s 具有完全的数字 计算和数字通信能力；在结构上采用网络集成的全分布式方案，将控制功能彻底 下放到现场，提高了系统的可靠性和扩展时的灵活性。在发展过程中，多种总线 共存是f c s 的主要特点。如f i s h e r - r o s e m o t m t 公司推出的d e t l av 系统，它由 e t h c r n e t 、f f ( h 1 ) 以及h a r t 组成。并可与p r o f i b u s - d p 兼容：r o c k w e l l 公司则推出了由e t h e r n e t ，c o n t r o ln e t 和d e v i c en e t 三层总线构成的f c s 。虽然 f c s 具有诸多的优点，但在现有的技术条件和市场情况下，f c s 还不能完全取代 d c s 。这是因为，用具有现场总线接口的智能设备替换现有的每个现场设备成本 太高，短期内无法实现：再者，由于d e s 应用广泛、技术成熟。其现场控制站 的组态控制方式具有较强的优越性，f c s 无法与之相比。因此，将现场总线集成 于d c s 之中，发挥现场总线技术的先进性，使得d c s 进步分散化，是现代过 程控制系绕发展韵客观需要p l 。 o ) 与智能控制技术相结合 基于经典控制理论的自动控制系统中，控制器的综合设计都器要准确地建立 起被控对象的数学模型。但在实际的工业生产过程中，存在着诸多的模糊性和不 确定性精确的数学模型难以建立，需要通过知识的获取、模式的识别以及专家 经验的积累等途径加以解决。因此，知识的求耪、提纯和知识库的建立与应用对 现代工业过程控制显得尤为重要。随着先进控制理论的发展，以专家系统( e x p c r t s y s t e m ) 、模糊逻辐：( f u z z yl o g i c ) * 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u 越n e t w o r k 。a n n ) 为代表的人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 技术，已被逐渐应用于工业控制领域， 并推动包括d e 5 在内的自动控制系统向着基于知识的智能控制系统方向发展。 p l c 技术与器件的应用，是d c s 面向市场，向低成本、小型化方向发展的 有效途径；与现场总线技术相结合，将会有力推进d c s 的网络化进程；在d c s 中g l 入人工智能技术，则可提高现场仪表的智能化程度，促进高级控制算法的研 究与应用，使d c s 的协调管理能力更为集中，从而面向数字化分布式控制系统 的方向发展。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 现场总线技术 随着控制技术、计算机技术和通信技术的飞速发展，现场总线技术已经成为 工业生产过程的必然趋势。自8 0 年代以来，有几种类型的现场总线技术己经发 展成熟，它们是c a n 总线、l o n w o r k s 总线、p r o f i b u s 总线、w o r l d f i p 总线、h a r t 总线、f f 现场基金会总线等。其中p r o f i b u s 总线产品占欧洲市 场份额的首位，年增长率为2 5 。p r o f i b u s 在制造业自动化、过程控制自动化、 电力、楼宇、铁路交通等有广泛应用【2 j 。 1 2 2 1 现场总线技术的背景 2 0 世纪5 0 年代以前，由于生产规模较小，检测控制仪表处于发展初级阶段， 控制系统采用的仅仅是安装在生产现场、只具备简单测控功能的基地式气动仪 表，即第一代控剖体系结构( 直动式或p c s ) 。这种系统其信号仅在本仪表内起 作用，不能传送给别的仪表或系统，即各测控点只能成为封闭状态，操作人员只 能通过对生产现场的巡视来了解生产过程状况。 随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息来进行 操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式的仪表，同时也出现了集中 控制室。即第二代控制体系结构( 模拟式或a c s ) 。这种控制方式是把各现场参数 通过统一的模拟信号，例如0 0 2 0 1 m p a 的气压信号，0 1 0 m a ，4 2 0 m a 的 直流电流信号，1 5 v 直流电压信号等，送往集中控制室。工作人员在控制盘前 监视生产流程运行状况。并可以把各单元仪表的信号按需组合，连接成不同类型 的控制系统。但是这种模拟信号标准的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓 慢，提高计算速度与精度的开销、难度都较大，信号传输的抗干扰能力较差。 为了解决单元组合式仪表的缺点，人们开始寻求用数字信号取代模拟信号， 这就出现了直接数字控制。由于当时计算机价格昂贵，人们用一台计算机取代尽 可能多的控制室的仪表，这就是集中式数字控制系统，即第三代控制体系结构 ( c c s ) 。这种结构的特点就是控制集中、管理集中。这种特点也导致了缺点是风 险集中，即一旦计算机出现故障，就会造成所有相关控制回路的瘫痪，无法完成 正常的控制而停产。而且当时的计算机技术尚不发达，计算机运行不稳定，很容 易出现故障。 随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，到了8 0 年代，出现了数字 调节器、可编程控制器p l c 以及由多个计算机递阶构成的集中于分散相结合的 集散控制系统，即第四代控制体系结构( d c s ) 。这种系统目前许多企业仍然采用 着，它的测量变送仪表一般为模拟仪表，因此是模拟与数字的混合系统。这种系 统比以前的系统在功能和性能上有很大的进步，在此基础上可以实现现场级和车 武汉理工大学硕士学位论文 间级的优化控制。但是由于受计算机系统早期存在的系统封闭缺陷的影响，在 d c s 系统的形成过程中，各自厂商自成系统，不同厂家的设备不能互连一起， 难以实现互换与互操作，使得更大范固信息共享韵网络系统存在很多困难，也很 难适应于现代更大规模的生产系统。开放性差也就导致了用户依赖制造厂商，甚 至出现个别制造商垄断市场的情况。同时d c s 系统物理接线的一对一结构造成 接线庞杂、工程周期长、安装费用高、维护困难。 新型的、开放性的、容易进行数据交换的控制系统就成为控制系统发展的新 目标。为了使不同厂商的仪表能够相互通用，国际上一些大公司联合起来，制定 统的数据通信标准，与之相适应的控制系统为了符合这些新标准也要进行改 进，这些标准成为现场总线的基本协议。现场总线控制系统突破了d c s 系统因 专用网络的封闭造成的缺陷，采用开放化、标准化的解决方案，把来自不同厂商 而遵守同一协议规范的设备连接成控制网，组合成各类控制系统，实现综合自动 化的各种功能。这种网络集成式控制系统就是现场总线控制系统f c s 。在d c s 系统中，一个控制系统的信号传递需要从现场到控制室，再从控制室到现场的往 返专线过程，而f c s 作为节点媳现场仪表具备通讯和数字计算能力，并且现场 控制设备之间的通讯可以实现多种控制功能。 现场总线出现之初，珥c 就致力于总线标准的制定。作为一项数据通讯协议， 单一的统一标准应该是首选，但是由于地域和行业领域的保护主义及种种社会经 济原因，最终没有达成单一的统一标准。经过各方的争斗与妥协，2 0 0 0 年，工 e c 宣布8 种原有的现场总线共同作为i e c 现场总线国际标准的子集，它们分别 是i e c 6 1 1 5 8 、p r o f i b u s 、p - n e t 、w o r l d f l p 、s w i f t n e t 、c o n t r o l n e t 、h i g hs p e e d e t h e r n e t 及i n t e r b u s s 。 1 2 2 2 现场总线技术的特点 现场总线作为一种新型控制系统，具有传统控制系统无法比拟特点，具体表 现如下。 ( 1 ) 系统的开放性：开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的 共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与外界任何遵守相同标准的系统实现互 联。 ( 2 ) 系统结构的高度分散性：现场总线己经构成一种新的全分散性的控制系 统的体系结构。从根本上改变了标准的其他设备或系统连接。通信协议一致公开， 各不同厂家的设各之间可实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建设统一 的工厂地层网络的开放系统。用户可按照自己的需要和考虑，把来自不同的供应 商的产品组成大小随意的系统，通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。 ( 3 ) 互操作性与互用性：互操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传递 武汉理工大学硕士学位论文 与沟通：而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 ( 4 ) 现场设备的智能化与功能自治性：它将传感测量、补偿计算、工程量处 理与控制等功能分散到现场设备中完成，仪靠现场设备即可完成自动控制的基本 功能，并可随时诊断设备的运行现有的d c s 集散控制系统体系结构，简化了系 统结构，提高了性能。 ( 5 ) 对现场环境的适应性：工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场 总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外 线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满 足本征安全等。 现场总线技术不仅突破了d c s 采用专用通信网络的局限，采用了基于公开 化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；而且把d c s 的集中与 分散相结合的系统结构，变成了新型全分布式结构。因此，开放性、分散性与数 字通信是现场总线控制系统最显著的特征。 1 2 2 3p r 0 啊b u s 现场总线简介 p r o f i b u s 根据应用特点又可分为p r o f i b u s d p ( d e 咄z c d p e r i p h e r y ) 、p r o f i b u s - p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 、p r o f i b u s - f m s ( f i e l d b u s m e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) - - - 部分。 ( 1 ) p r o f i b u s d p p r o f i b u s - d p 总线是为高速设备分散控制或自动化控制而设计的， p r o f i b u s - d p 总线上的设备一般为主站与从站配置，允许构成单主站或多主站 系统。多主站系统一般对主站数量有一定的限制。对主站系统中任何一个主站均 可读取从站的输入输出映象，但只有一个主站可对从站写入输出数据。 p r o f i b u s d p 用于设备级的高速数据传送，特别适用于系统与分散i o 之间的 高速通讯。p r o f i b u s - d p 通过网间连接器或上位控制器与p r o f i b u s ，f m s 或 以太网相连。 p r o f i b u s - d p 总线上可挂接的设各有系统操作站、现场人机接口、p l c 主 站，p l c 从站、远程i o , d p 总线马达驱动器，d p 总线变频器，d p p a 耦合器或其他 d p 智能设备等。 ( 2 ) p r o f m u s - p a p r o f i b u s - p a 总线是专门为过程自动化设计的，其功能类似于基金会现场 总线( f f ) 的h 1 总线。p r o f i b u s p a 总线的现场变送器或执行器可直接与其相连 来实现过程控制。p r o f i b u s - p a 的传输速率为3 1 2 5 1 k b p s ，传输距离为1 9 0 0 m ， 传输介质为双绞线，信号类型为电压式，供电方式为总线供电，并符合本按要求。 p r o f i b u s p a 总线可通过p a d p 耦合器与p r o f i b u s d p 总线相连，通过 武汉理工大学硕士学位论文 p r o f 毋u s d p 总线将过程信息向上传输。 p r o f i b u s d p 总线上可挂接的设各有p r o f m u s p a 总线变送器和执行器 等。 ( 3 ) p r o f i b u s - f m s p r o f u s f m s 总线是为解决车间级通用性通讯任务、提供大量通讯服务、 完成中等传输速率的循环与非循环通讯任务而设计的。p r o f i b u s f m s 的传输 技术与p r o f i b u s d p 基本相同，还可通过网关与上层以太网相连。 p r o h b u s f m s 总线可挂接的设备有系统操作站、工程师站和大型p l c l 2 】 等。 1 2 3 课题的设计思想 传统的现场级与车间级监控系统多是基于p l c 分布式监控系统。其主要特 点，是现场设备与控制器之间的连接是一对一所谓f o 接线方式，信号传递 4 2 0 m a 或开关量2 4 v d c 信号。 由于现场总线技术的发展，促使工厂底层自动化系统及信息集成技术产生变 革，过程控制系统将由d c s 发展到f c s 伊i c l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。f c s 可以将 p i d 控制彻底分散到现场设备( f i e l dd e v h ) 中。基于现场总线自动化监控系统增 强了现场级信息集成能力，现场总线可从现场设备获取大量信息，能够更好的满 足工厂自动化及c i m s 系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不 单纯取代4 - 2 0 m a 信号，还可实现设备状态、故障和参数信息传送。系统除完成 远程控制，还可完成远程参数化工作。同时f c s 又是全分散、全数字化、全开 放和可互操作的新一代生产过程自动化系统，它将给传统的工业自动化控制系统 体系结构带来革命性的变化。 煤粉制备是冶金、电力、建材及其它拥有燃煤工业窑炉企业的重要生产环节， 它的任务是将原煤安全地加工成为符合要求的粉煤，主要是煤粉细度和水分要达 到要求，并将制各好的粉煤输送到煤粉仓存储，为整个生产过程提供燃料。其生 产工艺复杂，监控点多，同时各功能单元物理位置分散、相互影响，彼此间的通 讯既要保持数据和控制信号的及时准确，又要保证系统的稳定可靠。基于现场总 线自动化监控系统在这方面体现出了一定的优势。 针对煤粉制备过程的复杂性以及设备分散的特点，课题组设计了基于 p r o f i b u s d p 的煤粉制各分布式监控系统，实现了对系统各设备的参数数据采 集、处理以及监控等功能。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 课题来源及研究的主要内容 为了实现信息化促进产业化、工业化、现代化的要求，全国各行各业都在加 强信息化的步伐，企业结构也开始逐步调整。为了实现与国际接轨，许多工厂己 由原先的人工现场管理逐步转向基于网络的远程监控自动管理形式，使生产自动 化水平、工作效率、劳动生产力得到明显提高的同时，实现了设备运行的无人值 守。我校与山东某电控有限公司共同合作对山东某铁矿集团的科研项目“基于现 场总线的煤粉制各分布式控制系统”进行了研究，作者参与了该课题的研究和系 统的安装与调试工作。本文是该课题的研究总结。 论文研究的主要内容有： ( 1 ) 将p r o f i b u s d p 现场总线技术应用于工业控制系统，按照 p r o f i b u s - d p 通讯方式完成控制现场底层设各与控制主站之间的组态。实现现 场总线控制系统全数字通讯、高度开放性、互操作性、互换性的技术优势； ( 2 ) 完成煤粉制备生产线各环节电气控制部分硬件设计； ( 3 ) 针对煤粉制各生产线的工艺要求设计开发基于s i e m e n ss 7 3 0 0 p l c 的控 制程序和基于组态软件m c g s 的人机界面程序； ( 4 ) 将模糊控制算法应用于煤磨软起动器的设计中，并建立了基于m a t l a b 的软起动器仿真模型。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章煤粉制备监控系统的构建 本章首先简要介绍了煤粉制备系统的生成工艺流程和现场生产设备的配置， 然后结合系统的主要技术指标，确定了系统的总体架构，并在比较了常用的几种 控制方案的特点后，选定了最优的控制方案。 2 1 煤粉制备系统工艺流程与监控要求 2 1 1 系统工艺流程 煤粉制备系统主要向水泥窑锻烧或钢铁球团冶炼过程提供燃料。生产出的煤 粉要求在挥发性、细度和水分上达到以下标准川： ( 1 ) 煤粉的挥发适中 煤的挥发分含量希望在1 8 2 8 之间。挥发分含量太少，则不易起火，加 煤后温度不易提高，高温带比较集中。容易烧垮窑皮。 f 2 ) 煤粉的细度适当 在水泥工业中，必须考虑煤的细度对生产工艺的影响。煤粉太粗，山于煤灰 多落于熟料表面，使熟料成分不均匀，因此会影响熟料质量，且燃烧不完全的粗 煤粉落入熟料中，将引起局部过烧。同时，这时燃烧出于氧气不足，形成还原火 焰，使熟料中氧化铁还原成氧化亚铁，降低锻烧物料的最低共熔点，使液相过早 出现。会引起结圈。从工艺看，似乎煤粉越细越好，但煤粉太细，会使磨煤机产 量下降，电耗大大增加，易燃易爆因素增加。因此煤粉细度应平衡两方面的利害 关系。一般要求煤粉细度为0 0 8 0 毫米方孔筛筛余要求在1 5 以下。 ( 3 ) 煤粉水分适当 煤粉水分太高，使燃烧速度减慢，但如果水分过低，使煤的烘干发生困难， 且不安全。一般要求水分控制在1 5 以下，1 以下为宜。 ( 4 ) 煤粉的灰分低于2 0 煤粉中的灰分越少越好，般要求等于2 0 。煤的灰分增高，会影响物料在 窑内物理化学反应的进行，使反应不完全。 其生产工艺流程图如图2 1 所示。 o 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 煤粉制备系统工艺流程 根据厂方原煤的物理化学性能以及烧成系统对煤粉燃料的要求，煤粉制备车 间选用煤磨作为主机设备，并配有选粉机，煤粉收尘器及相匹配的输送的控制设 备，具体结合工艺流程图介绍如下： 来自煤库的原煤经提升机直接送入磨头原煤仓，原煤仓要求入仓原煤水份小 于1 0 ，粒度小于2 5 m m 。仓下设有螺旋门、圆盘喂料机，通过调节圆盘喂料机 上部的套管高度，挡料板位置及电机转速可控制入磨喂煤量。原煤经电动翻板阀 进入磨内进行烘干粉磨。 用于烘干原煤水份的热源是3 0 0 左右的窑头废气。窑头废气由冷风阀掺入 冷风降温至1 5 0 一2 5 0 1 2 范围( 具体数值依据实际生产情况调整1 ，送入煤磨。 本车间主机设备为煤磨。出磨煤粉由废气带入选粉机，分离了的粗粉经锥形 锁风阀掺入螺旋输送机，通过电动翻板阀回磨进行再粉磨。废气由煤磨引入煤粉 收尘器进行净化，净化后的废气排入大气，其含尘浓度符合国家排放标准要求。 由煤粉收尘器收集下来的煤粉经双向螺旋输送机进入煤粉仓。当煤粉在煤粉仓收 尘器内发生事故燃烧时，通过双向螺旋输送机向外排放。 窑头喂煤采用煤粉计量称，本称集喂煤、计量、调节、输送于一体，操作非 常方便，本称的输送气源来自两台罗茨风机，其中一台为备用。 为防止煤粉在生产过程中发生自燃和爆炸事故，本系统在设备、工艺管道和 煤粉仓上设置了防爆阀，并为煤粉收尘器、煤粉仓各设置了一套c 0 2 灭火系统， 武汉理工大学硕士学位论文 需要时可自动或手动向相关设备内喷i x c 0 2 气体，以达到灭火之目的1 1 】o 系统主要设各及其型号配置见表2 - 1 所示。 表2 - i 系统主要设备列表 型号 苎 数 序号工艺名称电气配置 规格 位 量 1 提升机 电动机1 1 】c w1 荷重传感器r 配 2原煤仓w r 2 2 2只3 变送器1 y 1 3 2 3 圆盘喂料机电动机 1 5 5 k w ( 1 2 5 1 2 5 0 r p m ) 摆线针轮减速机 x w e d l 5 - 6 3 1 1 2 1 4电动双重锤翻板阀1 ( 带电机)1 5 k w ( 1 5 0 0 r p m ) 5热风机电动机y 2 2 5 5 - 43 7 k w ( 1 4 8 0 i p m 1 6 气动蝶阀气动执行机构 a c2 ：! o v 2 d k i - 4 1 03 8 0 v 7 电动蝶阀电动执行机构只1 输入：4 2 0 m a y 2 k k 防爆电机 8 煤磨电动机1 6 0 0 0 w 1 0 0 0 i a v 动态 电动机y r i b l 8 0 m 42 2 k w 台 1 9 稀油 电加热器s r y 2 - 2 ：帅 只2 选粉机 站 电动机o 5 5 k w2 1 0 螺旋输送机t y 型驱动装置t y l l 2 2 5 44 l c w 1 振动电机 z d s l l - 60 2 k w 3 给料减速电动机 x l d l 1 - 4 - 1 4 7 ( 1 1 k w ) 3 电加热器a c2 2 0 v 1 0 k w 只1 2 脉冲阀a c2 2 0 v 只1 0 1 1 煤粉收尘器 气缸阀a c 2 2 0 v 只 5 温度继电器 x u - 2 0 0 ( t = 8 0 c ) 个3 清灰p l cs 7 3 0 0 l 防爆铂热电阻w z p 2 4 0 l 个3 电动执行器 a c 2 2 0 v 1 2 引风机 输入：4 2 0 m a 只1 电动机 y 3 1 5 s - 4 ( 3 8 0 v 9 0 k w ) 1 1 3 螺旋输送机减速电动机 t y l l 2 2 5 44 k w 1 1 4 煤粉仓 荷重传感器( 配变送罂) r 1 2 2 2 只3 武汉理工大学硕士学位论文 续表2 - 1 系统主要设备列表 型号 序号工艺名称 电气配置 单位数量 规格 振动电机 四s 1 1 60 2 k w1 给料减速电动机 x w d 0 5 5 - 2 1 2 9 ( o 5 5 k 1 w 1 煤粉仓收尘 电加热器 a c2 2 0 v ，1 0 k w 只 4 1 5 脉冲阀 a c2 2 0 v 只2 器 气缸阀a c 2 2 0 v 只 2 清灰p l c s 7 - 3 0 0 台 1 离心风机 y 1 3 2 s 1 - 2 ( 5 5 k w ) 1 双管螺旋 1 6 电动机 3 k w4 喂料机 1 7 煤粉计量秤电动机0 3 7 k w1 1 8 罗茨风机电动机 4 5 l c w 2 煤粉收尘器 1 9 用c 0 2 灭火 a c 2 2 0 v 2 装置 煤粉仓用 2 0 c 0 2 灭火装a c 2 2 0 v2 置 2 1 2 系统监控要求 由煤粉制备工艺流程可知该系统的生产过程是一个复杂的连续批量的过程， 它是一个多变量、多扰动、非线性、时变的复杂控制对象，对其各单元的组态也 非常复杂，从原煤提升、煤磨制各、动态选粉到煤粉收尘和秤量等都是典型而复 杂的多点监控系统。 为了进一步明确监控对象，根据工艺流程可以将本系统内各监控对象按功能 分为七大组，系统的生产过程就是通过这七组设备相互协调完成的，各组设备的 对应关系见表2 - 2 所示，组内设备之间、组与组之间具有连锁关系。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 2 设备分组一览表 组号组名组内设备是否连锁 备注 煤粉仓收尘 空压机 1 煤粉仓收尘器 是 器组 引风机2 双向螺旋输送机 煤粉收尘器( 外排、入仓) 2是 组煤粉收尘器 引风机1 组内设 煤粉收尘器入口蝶阀 备之间、组与 3 热风机组热风机 是 组之间均有 热风机入口蝶阀 连锁关系。正 选粉机稀油站 常启动时其 4 选粉机组是 启动顺序按 动态选粉机 分组顺序进 磨头稀油站 行分组启动。 磨头稀油站 5 磨机组煤磨主机是 单向螺旋输送机 电动翻板阀 6喂煤组圆盘喂料机 7 原煤输送组提升机 本监控系统要保证生产过程安全可靠，对各组设备的监控要求如下所示： ( 1 ) 原煤仓物料荷重值的实时检测； ( 2 ) 圆盘喂料机工作转速范围内的交流变频调速； ( 3 ) 煤磨磨头、磨尾与轴瓦及定子温度的实时检测； ( 4 ) 煤蘑磨头、磨尾风管温度及压力的实时检溯； ( 5 ) 冷、热风源电动阀开度的实时读取显示，并能够进行开度给定控制； ( 6 ) 动态选粉机工作转速范围内的交流变频调速； ( 7 ) 煤粉收尘器出、入口温度实时检测，并能够与c 0 2 灭火装置的联动控制； ( 8 ) 煤粉收尘器出入口风管温度及压力的实时检测； ( 9 ) 煤粉仓物料荷重值的实时检测； ( 1 0 ) 煤粉计量秤输送值的实时显示及输送电机的速度控制： ( 1 1 ) 依照工艺流程，各设备组之间及组内设备之间的顺序起停控制及各设备 在特定条件下的单